IH50-32-160型離心泵氣蝕性能改進的探討

　　某公司設計制造的IH50-32-160型號離心泵經(jīng)檢測后，呈現(xiàn)出兩頭(大流量與小流量時)大的情況，而與之對應的楊程卻不低。下面對這種現(xiàn)象作些初步的分析，以期獲得改進氣蝕性能的辦法。
1.離心泵氣蝕的概念
　　 從本質上看，離心泵氣蝕現(xiàn)象是一種流體力學的空化作用，與旋渦有關。它是指流體在運動過程中壓力降至其臨界壓力(一般為飽和蒸汽壓)之下時，局部地方的流體發(fā)生汽化，產生微小空泡團。該空泡團發(fā)育增大至一定程度后，在外部因素的影響(氣體溶解、蒸汽凝結等)下潰滅而消失，在局部地方引發(fā)水錘作用，其應力可達到數(shù)千個大氣壓。顯然這種作用具有破壞性，從宏觀結果上看，氣蝕現(xiàn)象使得流道表面受到浸蝕破壞(一種持續(xù)的高頻打擊破壞)，引發(fā)振動，產生噪音；在嚴重時出現(xiàn)斷裂流動，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。所以說，氣蝕問題是水泵行業(yè)的一個很重要的科研課題。
　　 從上述表述可知，氣蝕現(xiàn)象是由于流場中出現(xiàn)的最小絕對壓力引起，哪里的絕對壓力小，哪里就容易發(fā)生氣蝕。因而，控制最小絕對壓力即可控制空化作用，有效地減少氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
　　 水泵是一種給流體增加能量的機器。流體經(jīng)葉輪向外流出，其壓力一般而言是增加的，因而在水泵中流體出現(xiàn)最小壓力的地方只能是葉輪葉片進口處附近。這樣一來，確保流體在葉輪葉片進口處具有足夠的絕對壓力，便成為避免水泵發(fā)生氣蝕的關鍵。
2.水泵的氣蝕余量NPSH
　　 由于葉輪機械中流體運動的復雜性，很難從理論上計算出流場中何處可能出現(xiàn)氣蝕，再加上氣蝕現(xiàn)象不僅僅取決于流體的流動特性，還取決于流體本身的熱力學性質，所以，更難于從理論上提出氣蝕發(fā)生的判據(jù)。因此，在實踐中往往是采用經(jīng)驗加實驗的辦法來提出氣蝕判據(jù)。水泵的氣蝕余量概念即是其中的重要判據(jù)之一，它既具有一定的理論意義，又是產品驗收的標準之一。
水泵氣蝕余量有兩個概念：其一是與安裝方式有關，稱有效的氣蝕余量NPSHA，它是指水流經(jīng)吸入管路到達泵吸入口后所余的高出臨界壓力能頭的那部分能量，是可利用的氣蝕余量，屬于“用戶參數(shù)”；其二是與泵結本身有關，稱必需的氣蝕余量NPSHR，它是流體由泵吸入口至壓力最低處的壓力降低值，是臨界的氣蝕余量，屬于“廠方參數(shù)”。要確保水泵在運行中不氣蝕，必須在安裝上保證NPSHA≥K×NPSHR，(K為安全裕量)，而后者由制造廠所保證。從這個意義上看，降低水泵氣蝕余量的意義在于保證水泵的絕對提水高度，滿足使用要求。
　　 一般采用下列公式來計算氣蝕余量：NPSHA=-H-h
式中：P0為下游壓力；Pv為臨界壓力；HSZ為安裝高度；∑hs為吸入管路流動損失，包括閥門、彎頭等處的損失。由上式可以看出，NPSHA是一種能量儲備，較小的NPSHA可使得安裝高度HSZ較大，這是有利的。
　　 NPSH=λ+λ2
式中：V1為葉片進口絕對速度；λ1為絕對速度變化及流動損失引起的壓降系數(shù)，稱絕對速度的不均勻系數(shù)；W1為葉片進口相對速度；λ2為流體繞流葉片頭部引起的壓降系數(shù)，稱葉片的氣蝕系數(shù)。由上式可以看出，NPSHR僅與泵本身的運動特性有關。對設計者而言，要求NPSHR盡可能小，以使得泵在安裝上有較充裕的氣蝕儲備。
3.NPSHR的分析
　　 顯然，NPSHR的大小取決與泵吸入口出流體運動的能量損失。由于流程較短，這種損失主要體現(xiàn)為流動局部損失。有如下幾方面的因素：
(1)泵吸入口到葉輪進口流道收縮，流速增加而產生的壓力損失以及流體運動自軸向變?yōu)閺较?，轉彎處流場不均勻而產生壓力損失；(2)流速變化引起的流動損失，體現(xiàn)為壓力降低；(3)流體繞流葉片進口緣產生的能量損失；(4)葉片厚度排擠作用使得進口速度增加而產生壓力損失；(5)非設計工況下運行流體在葉片前緣產生的沖擊損失；(6)葉輪鑄造質量不佳、流道表面不平所致流動粘性損失。
在上面幾方面的因素之中，難以完全避免的是前兩項；而后幾項則可以通過改進設計及制造質量來使之減少。這就要求設計者在設計時應力求使得從泵進口到葉輪進口這一段流道盡可能地合乎流體運動之流線，以減少這一段流動的壓力損失；而對一臺現(xiàn)有的產品泵來說，分析其氣蝕性能亦應當從分析其進口流道的流動損失著手。
4.某離心泵的氣蝕分析
　　 現(xiàn)在對前面所提到的離心泵的氣蝕問題作些定性分析。該泵的氣蝕余量偏大，其原因可以認為是由于泵吸入口處存在的過大的壓力損失所引起的。但該泵在小流量時氣蝕余量大，這與通常檢測結果不一樣，可能與設計和制造有關。小流量時的氣蝕余量增加，可認為是在小流量時液流入口角增加，使得葉片入口正沖角過大，從而脫流過大，產生了很大的壓力損失；而大流量時氣蝕余量增加，更主要的則是由于流速增加使得損失增加所致。
　　 從設計和制造兩方面來看，除去間隙氣蝕的原因外，葉片進口安放角偏小(設計偏小或鑄造時偏小)，葉片入口厚度大，葉片表面鑄造質量不佳可能是該型號泵氣蝕余量大的主要原因。
5.改進措施
對本例泵來說，可以采取以下一些適當措施來減少氣蝕發(fā)生的可能性：
(1)若有可能的話，可將葉片進口邊前移，即在進口邊處粘結上一塊，使得流體及早接觸葉片獲得能量，避免出現(xiàn)低于臨界壓力的情況發(fā)生。(2)清理葉輪入口流道，盡量使其光滑平坦，提高進口光潔度，減少流動阻力，降低壓力損失。(3)打磨葉片頭部，削尖，以減少進口沖擊損失，降低進口沖角的敏感性。(4)如果間隙氣蝕嚴重，可采用在葉輪上打平衡孔的辦法來減少泄漏流速，以減輕氣蝕程度。
6.改進結果
　　 原泵的鑄造質量不好，外觀明顯可見葉型表面凹凸不平，因此決定重新鑄造。首先修理了木模表面，提高其光潔度。然后在葉片進口邊處加上一塊葉型，并削尖其進口前緣。最后鑄造，得到了質量較好的葉輪。經(jīng)過測試，氣蝕余量NPSHR得到了較大改善。因此，本文所提出的方法是可行的。 摘自《中國建材設備》